(57)【要約】【課題】取り扱いやすく、熱電変換モジュール同士の接続が容易であり、複数の熱電変換モジュールを接続した熱電変換モジュールブロックを安定して長時間動作させる。【解決手段】基板２と、基板２上に電気的に直列に接続された複数の熱電変換素子３、４を備える。基板２の一端部２Ａの下面２ｕは基板２の他端部２Ｂの下面２ｕよりも高く、かつ、基板２の一端部２Ａの上面２ｔは基板２の他端部２Ｂの上面２ｔよりも高く、基板２の一端部２Ａ及び他端部２Ｂにはそれぞれ貫通孔１２、１３が形成され、基板２の一端部２Ａには、複数の熱電変換素子３、４の一端Ｅ１と電気的に接続された一端部電極層８ａが、上面２ｔから貫通孔１２の内面を通って下面２ｕにおける貫通孔１２の周りにまで渡って設けられ、基板２の他端部２Ｂには複数の熱電変換素子３、４の他端Ｅ２と電気的に接続された他端部電極層８ｂが、上面２ｔにおける貫通孔１３の周りに設けられている。【選択図】図２
2010165840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する上面及び下面を有する基板と、前記基板の前記上面上に配置されると共に電気的に直列に接続された複数の熱電変換素子と、を備え、
前記基板の一端部の下面は前記基板の他端部の下面よりも高く、かつ、前記基板の前記一端部の上面は前記基板の前記他端部の上面よりも高く、
前記基板の一端部及び他端部にはそれぞれ貫通孔が形成され、
前記基板の一端部には、前記複数の熱電変換素子の一端と電気的に接続された一端部電極層が、前記上面から、前記貫通孔の内面を通って、前記下面における前記貫通孔の周りにまで渡って設けられ、
前記基板の他端部には、前記複数の熱電変換素子の他端と電気的に接続された他端部電極層が、前記上面における前記貫通孔の周りに設けられた熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記熱電変換モジュールを複数有し、一の前記熱電変換モジュールの前記基板の一端部と他の前記熱電変換モジュールの前記基板の他端部とが重ねられ、前記一端部の貫通孔及び前記他端部の貫通孔を貫通する固定部材により各一対の基板が固定された熱電変換モジュールブロック。
【請求項３】
前記基板の下面上に、前記基板の貫通孔に対応する貫通孔を有する放熱器が配置され、前記固定部材はさらに前記放熱器の貫通孔を貫通して、前記一対の基板と前記放熱器とを固定する請求項２記載の熱電変換モジュールブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、温度差を利用して発電を行なう素子として、直列に接続されたｎ型及びｐ型の熱電変換素子を基板上に配置した熱電変換モジュールが知られている。そして、高い出力を得るために、複数の熱電変換モジュールをさらに直列に接続する場合がある。このような接続を可能とする熱電変換モジュールとして、特許文献１には、基板の両端から他のモジュールとの接続用の電極板をそれぞれ延ばした熱電変換モジュールが開示されている。また、特許文献２には、リード線を用いて熱電変換モジュール同士を接続することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１０８９００号公報
【特許文献２】特開２０００−２５２５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、基板の外に電極が突出していると、熱電変換モジュールが取り扱い難くなる上、電極同士を接合することにより熱電変換モジュールを複数接続した場合に、外部からの振動や熱応力等を電極が主として支持することとなるため、熱電変換モジュールを長時間安定動作させることが困難である。一方、リード線を用いて熱電変換モジュールを接続することは煩雑である。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、取り扱いやすく、かつ、熱電変換モジュール同士の接続が容易であり、かつ、複数の熱電変換モジュールを接続した熱電変換モジュールブロックを安定して長時間動作させることが可能な、熱電変換モジュール及びこれを用いた熱電変換モジュールブロックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱電変換モジュールは、互いに対向する上面及び下面を有する基板と、基板の上面上に配置されると共に電気的に直列に接続された複数の熱電変換素子と、を備える。そして、基板の一端部の下面は基板の他端部の下面よりも高くされ、かつ、基板の一端部の上面は基板の他端部の上面よりも高くされ、基板の一端部及び他端部にはそれぞれ貫通孔が形成されている。また、基板の一端部には複数の熱電変換素子の一端と電気的に接続された一端部電極層が上面から貫通孔の内面を通って下面における貫通孔の周りにまで渡って設けられ、基板の他端部には、複数の熱電変換素子の他端と電気的に接続された他端部電極層が上面における貫通孔の周りに設けられている。
【０００７】
本発明に係る熱電変換モジュールブロックは、上述の熱電変換モジュールを複数有し、一の熱電変換モジュールの基板の一端部と、他の熱電変換モジュールの基板の他端部とが重ねられ、一端部の貫通孔及び他端部の貫通孔を貫通する固定部材により各一対の基板が固定されている。
【０００８】
本発明によれば、基板の一端部と他端部とに段差が生じているのでこれを利用して一の基板の一端部と他の基板の他端部とを容易に重ねることができ、また、このように基板同士を重ねて一対の基板の各貫通孔を固定部材で貫通することにより、２つの基板を容易に密着固定でき、一端部電極層と他端部電極層とを確実に接触させることができ、熱電変換モジュール同士を容易に電気的に接続させることができる。また、一対の基板の貫通孔同士を固定部材で貫通することにより熱電変換モジュール同士の固定を行うので、電極主体ではなく固定部材及び基板を主体としてブロックの機械的構造が保持される。したがって、ブロックの機械的強度も高く、突出した電極同士を接合する場合に比べて、振動や熱応力による連結部の破損等も抑制される。
【０００９】
ここで、基板の下面上に、基板の貫通孔に対応する貫通孔を有する放熱器が配置され、固定部材はさらに前記放熱器の貫通孔を貫通して、一対の基板と放熱器とを固定することが好ましい。これによれば、さらに、貫通孔を利用して放熱器をも固定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、取り扱いやすく、かつ、破損が抑制され、かつ、熱電変換モジュール同士の接続が容易な熱電変換モジュール及びこれを用いた熱電変換モジュールブロックが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る熱電変換モジュール１の一部破断上面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ矢視図である。
【図３】図１の熱電変換モジュール１を用いた熱電変換モジュールブロック１００の概略断面図である。
【図４】熱電変換モジュールブロック１００の変形例を示す概略断面図である。
【図５】熱電変換モジュール１の第１の変形例を示す図である。
【図６】熱電変換モジュール１の第２の変形例を示す図である。
【図７】熱電変換モジュール１の第３の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。
（第１実施形態に係る熱電変換モジュール）
図１は、第１実施形態に係る熱電変換モジュール１の一例の一部破断上面図である。図の右方向をＸ方向、図の上方向をＹ方向とし、図面から手前に向かう方向をＺ方向とする。また、図２は、図１のＩ−Ｉ矢視図である。本実施形態に係る熱電変換モジュール１は、第１の基板２、第１の電極８、ｐ型熱電変換素子３、ｎ型熱電変換素子４、第２の電極６、及び、第２の基板７を主として備える。ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は、第１の基板２及び第２の基板７間に交互にマトリクス状に並んで配置されると共に、これらの両面が対応する第１の電極８及び第２の電極６によって全体として電気的に直列に接続されている。
【００１３】
第１の基板２は、例えば矩形状をなし、電気的絶縁性で、かつ熱伝導性を有し、複数の熱電変換素子３、４の一端を覆うものである。この第１の基板の材料としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア、炭化珪素、ジルコニア、ムライト等が挙げられる。
【００１４】
第１の基板２は、図２に示すように、互いに対向する、下面２ｕ及び上面２ｔを有し、さらに長手方向の一方側（図示右側）の一端部２Ａ、長手方向の他方側（図示左側）の他端部２Ｂ、及び、これら一端部２Ａ及び他端部２Ｂに挟まれた中央部２Ｃを有している。
【００１５】
第１の電極８は、第１の基板２の中央部２Ｃ上に設けられ、互いに隣接するｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の下端面同士を電気的に接続するものである。この第１の電極８は、第１の基板２上の中央部２Ｃ上の所定位置に、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜技術、スクリーン印刷、めっき、溶射等の方法を用いて形成することができる。また、所定形状の金属板等を例えば、はんだ、ロウ付け等で第１の基板２上に接合させてもよい。第１の電極８の材料としては、導電性を有するものであれば特に制限されないが、電極の耐熱性、耐食性、熱電素子への接着性を向上させる観点から、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、銀、パラジウム、金、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分として含む金属が好ましい。ここで、主成分とは、電極材料中に５０体積％以上含有されている成分を言う。
【００１６】
ここで、第１の電極８は、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４に対して接合材９を介して接合されていることが好ましい。接合材９としては、例えば、ＡｕＳｂ、ＰｂＳｂ系のはんだや銀ペースト等が挙げられる。この接合材は、熱電変換モジュールとしての使用時に固体であるものが好ましい。また、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は、第１の電極８との対向面に金属層を有するものであってもよい。
【００１７】
第１の電極８上に、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４が配置されている。ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の形状は特に限定されないが、柱状好ましくは、四角柱状の形態が好ましい。
【００１８】
ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４を構成する材料は、ｐ型半導体又はｎ型半導体の性質を有するものであれば特に限定されず、金属、金属酸化物等の種々の材料を用いることができる。
【００１９】
ここで、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の材料として、下記の材料が挙げられる。
【００２０】
例えば、ｐ型の材料としては、ＮａｘＣｏＯ２（０＜ｘ＜１）、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９等の金属複合酸化物、ＭｎＳｉ１．７３、Ｆｅ１−ｘＭｎｘＳｉ２、Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２：Ｂ（ＢドープＳｉ０．８Ｇｅ０．２）、β−ＦｅＳｉ２等のシリサイド、ＣｏＳｂ３、ＦｅＳｂ３、ＲＦｅ３ＣｏＳｂ１２（ＲはＬａ、Ｃｅ又はＹｂを示す）等のスクッテルダイト、ＢｉＴｅＳｂ、ＰｂＴｅＳｂ、Ｂｉ2Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、Ｓｂ2Ｔｅ３等のＴｅを含む合金、Ｚｎ４Ｓｂ３等が挙げられる。
【００２１】
また、ｎ型の材料としては、例えば、ＳｒＴｉＯ３、Ｚｎ１−ｘＡｌｘＯ、ＣａＭｎＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｔｉ１−ｘＮｂｘＯ等の金属複合酸化物、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｆｅ１−ｘＣｏｘＳｉ２、Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２：Ｐ（ＰドープＳｉ０．８Ｇｅ０．２）、β−ＦｅＳｉ２等のシリサイド、ＣｏＳｂ３等のスクッテルダイト、Ｂａ８Ａｌ１２Ｓｉ３０、Ｂａ８ＡｌｘＳｉ４６―ｘ、Ｂａ８Ａｌ１２Ｇｅ３０、Ｂａ８ＡｌｘＧｅ４６−ｘ等のクラスレート化合物、ＣａＢ６、ＳｒＢ６、ＢａＢ６、ＣｅＢ６等のホウ素化合物、ＢｉＴｅＳｂ、ＰｂＴｅＳｂ、Ｂｉ2Ｔｅ３、Ｓｂ2Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、Ｓｂ２Ｔｅ３等のＴｅを含む合金、Ｚｎ４Ｓｂ３等が挙げられる。
【００２２】
熱電変換モジュールを３００℃以上で使用する場合を考慮すると、耐熱性及び耐酸化性の観点から、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子は、上記材料の中でも金属酸化物を主成分として含むことが好ましい。また、金属酸化物の中でも、ｐ型の材料としてはＣａ３Ｃｏ４Ｏ９が好ましく、ｎ型の材料としてはＣａＭｎＯ３が好ましい。Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９及びＣａＭｎＯ３は、高温下大気雰囲気中において特に優れた耐酸化性を有し、熱電変換性能も高い。
【００２３】
第２の基板７は、例えば矩形状をなし、熱電変換素子３、４の上端側を覆うものである。また、第２の基板７は、第１の基板２と平行に対向配置されている。第２の基板７は、第１の基板２と同様に、電気的絶縁性で、かつ熱伝導性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア、炭化珪素、ジルコニア、ムライト等の材料を用いることができる。
【００２４】
第２の電極６は、互いに隣接するｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の上端面同士を電気的に接続するものであり、第２の基板７上に形成されている。この第２の電極６も、第１の電極と同様にして製造でき、接合材９を介して各熱電変換素子と接合されることが好ましい。なお、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は、第２の電極６との対向面に金属層を有するものであってもよい。
【００２５】
そして、この第２の電極６と、第１の電極８とにより、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は全体として電気的に直列に接続されている。ここで、図１に示すように、全体として電気的に直列に接続されたｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４のグループの両端を構成するｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子をそれぞれＥ１、Ｅ２とする。端となるｐ型熱電変換素子Ｅ１は、第１の電極と同様の材料からなる一端部電極層８ａ上に配置されている。端となるｎ型熱電変換素子Ｅ２は、第２の電極と同様の材料からなる他端部電極層８ｂ上に配置されている。
【００２６】
そして、図２に示すように、本実施形態にかかる熱電変換モジュール１において、第１の基板２の一端部２Ａの下面２ｕの高さは、他端部２Ｂの下面２ｕの高さよりも高くされ、かつ、第１の基板２の一端部２Ａの上面２ｔの高さも他端部２Ｂの上面２ｔの高さよりも高くされている。特に、本実施形態では、第１の基板２の一端部２Ａは、庇形状とされている。一端部２Ａの長手方向（Ｘ方向）への突出長さＬ（図２参照）は特に限定されないが、０．５〜５ｃｍ程度が好ましい。他端部２Ｂの長手方向（Ｘ方向）の長さは、一端部２Ａの突出長さＬ以上とされていることが好ましい。また、一端部２Ａの幅Ｗ（図１参照）は、他端部２Ｂの幅に対応するように設けられることが好ましい。
【００２７】
図２に戻って、一端部２Ａの下面２ｕの高さと、他端部２Ｂの下面２ｕの高さとの差Ｄは、第１の基板２の他端部２Ｂの厚みと同程度であることが好ましい。
【００２８】
さらに、一端部２Ａには、第１の基板２を貫通する貫通孔１２が形成されている。貫通孔１２は、図１に示すように、一端部２Ａにおいて、直列に接続されたｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４のグループの端部となるｐ型熱電変換素子Ｅ１の近傍に形成されていることが好ましい。また、ｐ型熱電変換素子Ｅ１の下面が接合された一端部電極層８ａは、図２に示すように、第１の基板２の上面２ｔ上を一端部２Ａにまで延び、さらに、貫通孔１２の内面を通って、一端部２Ａの下面２ｕの貫通孔１２の周りまでにわたって形成されている。
【００２９】
一方、他端部２Ｂにおいては、第１の基板２を貫通する貫通孔１３が形成されている。貫通孔１３は、図１に示すように、第１の基板２の−Ｘ方向の端面からの距離１３Ｘが、貫通孔１２の第１の基板の＋Ｘ方向の端面からの距離１２Ｘと同程度とされている。また、貫通孔１３は、第１の基板２の−Ｙ方向の端面からの距離１３Ｙが、貫通孔１２の第１の基板の−Ｙ方向の端面からの距離１２Ｙと同程度とされている。また、貫通孔１３の径は、貫通孔１２と同程度であることが好ましい。さらに、ｎ型熱電変換素子Ｅ２の下面が接合された他端部電極層８ｂは、第１の基板２の上面２ｔ上を他端部２Ｂに延びて貫通孔１３の周りに形成されている。
【００３０】
なお、貫通孔１２、１３は公知の方法により形成できる。また、一端部電極層８ａや他端部電極層８ｂも、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜技術、スクリーン印刷、めっき、溶射等により容易に形成できる。
【００３１】
続いて、図３を参照して、本実施形態に係る熱電変換モジュールを用いた熱電変換モジュールブロックについて説明する。
【００３２】
本実施形態の熱電変換モジュールブロック１００は、上述の熱電変換モジュール１を複数有し、一方の熱電変換モジュール１の第１の基板２の一端部２Ａと他方の熱電変換モジュール１の第２の基板２の他端部２Ｂとが重ねられ、一端部２Ａの貫通孔１２及び他端部２Ｂの貫通孔１３を貫通する固定部材３０により各一対の第１の基板２が固定されている。
【００３３】
固定部材３０は特に限定されず、例えば、リベット、ボルト及びナット等を使用することができ、一対の第２の基板２、２を密着して固定できればよい。固定部材の材質は特に限定されず、導体でも絶縁体でもよい。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の基板２の一端部２Ａに、他端部２Ｂとの段差が生じているのでこれを利用して一の熱電変換モジュール１の第１の基板２の一端部２Ａと、他の熱電変換モジュール１の第１の基板２の他端部２Ｂとを容易に重ねることができ、また、このように第２の基板２，２同士を重ねて一対の第２の基板２，２の各貫通孔１２、１３を固定部材３０で貫通して固定することにより、２つの基板を容易に密着固定でき一端部電極層８ａと他端部電極層８ｂとを確実に接触させることができ、熱電変換モジュール１、１同士を容易に電気的に接続させることができる。また、一対の第１の基板２の貫通孔１２、１３同士を固定部材３０で貫通することにより熱電変換モジュール１同士の固定を行うので、電極主体ではなく固定部材３０及び第１の基板２を主体として熱電変換モジュールブロック１００の機械的構造が保持される。したがって、熱電変換モジュールブロック１００の機械的強度も高く、突出した電極同士を接合する場合に比べて、振動や熱応力による連結部の破損等も抑制される。したがって、熱電変換モジュールブロック１０を安定して長時間動作させることが容易となる。
【００３５】
続いて、熱電変換モジュールブロックの変形例について図４を参照して説明する。本変形例では、第２の基板２の下面２ｕ上に、放熱器４０が配置されている。放熱器４０としては、図４に示すように、板材４０ｂに多数のフィン４０ａを立設させたものが挙げられる。放熱器４０の材質は熱伝導率の高い材料であれば特に限定されず、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属材料が挙げられる。
【００３６】
放熱器４０の板材４０ｂには、貫通孔４２が形成されており、固定部材３０は、一対の第１の基板２に加えてさらに放熱器４０の板材４０ｂ貫通孔４２を貫通しており、一対の第１の基板及び放熱器４０が一体にかつ密着して固定されている。本実施形態によれば、放熱器４０の固定も容易となり、放熱効率も高くできる。
【００３７】
本発明は上記実施形態に限定されずに様々な変形態様が可能である。
【００３８】
例えば、図５に示すように、一端部２Ａに貫通孔１４をさらに設け、他端部２Ｂにも、貫通孔１３と同様に貫通孔１４に対応する位置に貫通孔１５をさらに設け、これらの貫通孔１４、１５を貫通する固定部材３０をさらに用いて一対の熱電変換モジュール１を密着して固定してもよい。貫通孔１４、１５の位置は特に限定されないが、他の貫通孔１２、１３とはなれた位置が好ましい。もちろん、貫通孔の数はさらに増やしてもよいことは言うまでもない。
【００３９】
また、一端部２Ａにおける一端部電極層８ａの場所も特に限定されず、例えば、図６に示すように、Ｙ方向の中央部に一端部電極層８ａを設けてもよく、この場合、これに対して他端部電極層８ｂも他端部２ＢにおいてＹ方向の中央部に配置すればよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、直列に接続された複数の熱電変換素子のグループを基板上に１つのみ設けているが、図７に示すように、直列に接続された複数の熱電変換素子のグループを基板上に複数設けてもよく、この場合、（貫通孔１２及び一端部電極層８ａ）及び（貫通孔１３及び他端部電極層８ｂ）の組合せを複数有することとなる。
【００４１】
また、上記実施形態では、ｐ型熱電変換素子３が一端部電極層８ａと接続され、ｎ型熱電変換素子４が他端部電極層８ｂと接続されているが、ｎ型熱電変換素子４が一端部電極層８ａと接続され、ｐ型熱電変換素子３が他端部電極層８ｂと接続されていてもよい。
【００４２】
また、図２において、中央部２Ｃにおける上面２ｔ及び下面２ｕの高さは、他端部２Ｂの上面２ｔ及び下面２ｕの高さとそれぞれ同一とされているがこれに限られない。例えば、中央部２Ｃにおける上面２ｔ及び下面２ｕの高さが、一端部２Ａの上面２ｔ及び下面２ｕの高さとそれぞれ同一とされていてもよい。また、中央部２Ｃの高さは、一端部や他端部の上面や下面の高さとは全く独立に設定されていてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、熱電変換素子がマトリクス状に並べられているが、配置方法も特に限定されず、例えば、一列に並べられていてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、第１の基板２が矩形状とされ、長手方向の一方側に一端部２Ａが、他方側に他端部２Ｂが形成されているが、得たい熱電変換モジュールブロックの形状に応じて、第１の基板の形状や、一端部２Ａや他端部２Ｂの配置、貫通孔１２、１３等の位置は、任意好適に設定することができる。
【００４５】
また、上記実施形態では、熱電変換モジュール１が、第２の基板７を有しているが、第２の電極６を有していれば、第２の基板７が無くても実施は可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１…熱電変換モジュール、２…第１の基板、２ｔ…上面、２ｕ…下面、２Ａ…一端部、２Ｂ…他端部、２Ｃ…中央部、３…ｐ型熱電変換素子、４…ｎ型熱電変換素子、６…第２の電極、７…第２の基板、８…第１の電極、９…接合材、１２、１３…貫通孔、１００…熱電変換モジュールブロック。
【図１】
2010165840.tif 000003
【図２】
2010165840.tif 000004
【図３】
2010165840.tif 000005
【図４】
2010165840.tif 000006
【図５】
2010165840.tif 000007
【図６】
2010165840.tif 000008
【図７】
2010165840.tif 000009